气动增压泵在单片晶圆清洗过程中的应用

杜建科，刘永进，冯小强

(中国电子科技集团公司第四十五研究所，北京 101601)

1 气动增压泵的组成及工作原理

气动增压泵又叫气动增压器/机/缸/阀，最早产生于美国，主要是得利于发展航空业，各种航空元器件的测试，因为要求比较高，对测试源要求非常严格。相关部门研究出很多的测试源和测试办法，从而产生了气动增压泵及相关产品。气动增压泵利用大面积活塞端的低压气体驱动而产生小面积活塞端的高压流体。例如气动增压泵的增压比为35∶1，即100 kPa的驱动气压将产生3500 kPa的液体压力。

当驱动气体作用于活塞时，气动增压泵的活塞随气驱动就可获得较大的输出流量。由于其特有的无污染、操作简单、维护简单，可调性强、多种气体驱动等优点，广泛应用于一些要求标准较高、保持无污染以及一些至关重要的工艺场合。

气动增压泵主要由气体部分、液压部分、空气循环阀组成。（1）气体部分。当压缩空气送入气动装置时，迫使活塞进入压缩冲程，然后空气驱动活塞返回进行吸入冲程。（2）液压部分。液压装置的活塞/冲杆直接与活塞连接，其下端装入液压装置壳体之内。它的直径确定了泵的压缩比，从而确定输出流量和最大压力。它的作用是通过进口控制阀将液体吸入，并在较高压力下通过出口控制阀使其流出。该装置装有弹簧止回阀，用于控制液体进出通道。当液压装置的活塞/冲杆处于吸入冲程时，进口控制阀打开,出口控制阀通过弹簧保持关闭时，将液体引入泵内。升压冲程时，进口控制阀关闭，液压装置的活塞/冲杆通过出口控制阀迫使液体流出。（3）气体循环阀。这一部分由一个控制器和一个柱塞构成，它根据位置状态使压缩空气流到气体活塞的任何一端。该活塞在其冲程的上端和底部推动控制阀，对滑阀的大面积进行交替增压和换气，以控制气流向气体活塞往复运动，保持循环状态。空气从泵中排出时，需通过排气消声器。气动增压泵的结构示意图如图1所示。

图1 气动增压泵的结构示意图

2 气动增压泵在单片晶圆清洗过程中应用优势

半导体器件生产中难免会产生一些微粒，这些微粒有的以薄膜形式或颗粒形式存在于硅片表面。比如光刻胶、有机溶剂残留物、合成蜡和人接触器件、工具、器皿带来的油脂或纤维；重金属类如金、铜、铁、铬等，会严重影响少数载流子寿命和表面电导，这些微粒会导致各种缺陷，甚至会导致器件失效。半导体器件生产中硅片须经严格清洗，去除表面污染杂质。气动增压泵能够提供高压的去离子水，可以增强去离子水除去晶圆表面的污染杂质的能力。气动增压泵特有的优势在单片晶圆清洗过程中被广泛应用。

（1）维护简单。气动增压泵的零件及密封少，维护简单且成本低。性价比高：具有输出性能高的特性。

（2）可调性强。输出压力和流量都由驱动气体的压力调节阀准确地调节。调节驱动气压，使气动增压泵的输出压力在预增气压和最大输出压力之间精确调整。

（3）输出压力高。气动增压泵的最高工作压力可达到300 MPa。

（4）材质优良。高压部分材质为硬质铝合金。高压柱塞材质为不锈钢。并采用双层密封。关键部位材质可以根据介质性质选配。

（5）多种气体驱动。压缩空气、氮气、水蒸汽等。

（6）输入气体压力要求底。只需0.2～0.8 MPa压缩空气。相同系列泵的易损部件可相互替换，提高的通用性，大大降低了维修成本其气动增压泵无需使用润滑剂。

（7）自动保压。工作时，气动增压泵迅速往复工作，随着输出压力接近设定压力值时泵的往复运动速度减小直至停止。并保持这个压力，此时能量消耗很小，无热量产生，无零件运动。当压力平衡打破气动增压泵自动开始工作到下一个平衡。

3 气动增压泵的控制方式

硅片是半导体器件和集成电路中使用最为广泛的基底材料，而硅片的清洗又是整个硅片制造工艺中极为重要的环节之一。完全清洁的基片表面是实现功能性处理的第一步。为了满足自动化加工的生产要求，去离子水和一些化学液的供给也要由早期的手动供给，不断改进到自动供给和流量、压力可以自动调节发展。气动增压泵靠压缩空气驱动，泵的输出压力大小与驱动空气压力大小成正比，输出压力可以通过调节驱动空气压力大小进行无级调节，在本系统中采用电气比例阀调节驱动空气压力，进而控制泵的输出压力和输出流量。从而实现在显示屏上可以直接控制泵的输出压力和输出流量，满足自动化生产的要求。气动增压泵的控制原理图如2所示。

图2 气动增压泵的控制原理图

4 气动增压泵的选用依据

气动增压泵在选择过程中主要考虑的因素为输出压力、输出流量、机身材料等。为特定应用选择合适的气动气体增压泵，首先要确定哪一系列的气动增压泵可以满足流量的需求。此项可以根据各个厂家提供的流量对压力曲线确定。应用的可能比例通过用空气压力和流量检验气动增压泵工作数据来确定。气动增压泵产生压力的能力是驱动压力、理想增压比和最大压缩比的函数。产生流量的能力是可用空气流量、泵每一循环的排量和泵容积效率的函数。通过查这些厂家给定的函数曲线就能得到此气动增压泵的性能参数。为选择合适的泵提供定量指标。气动增压泵一般都是由常用材料制造，对于涉及到腐蚀性气体的应用，可以更换部分材料，以满足不同场合的应用。其中(1)单作用气动增压泵为小零件的测试或其它类似应用提供了增压的经济解决方案，这些应用中增压容器的体积都非常小，而且效率要求不高。此系列气动增压泵可以通过使用便宜的气动压力控制设备来控制实际最大输出压力。气动增压泵最大输出压力等于驱动空气压力与气动增压泵活塞大、小面积之比的乘积。(2)双作用气动增压泵不仅使泵的排量增大了1倍，而且所消耗的驱动空气也减少了，这是因为输入气体的压力本身提供了所需驱动力的一部分。此系列气动增压泵为实现低、中压缩比下增压大流量气体提供了有效的解决方案。泵最大输出压力等于驱动面积比乘以驱动空气压力后，再加上输入气体压力。

5 结束语

通过以上分析可以看出，气动增压泵特有的性质很适合在单片晶圆清洗中的应用。可以很好的选择气动增压泵。随着时代的进步，技术不断的更新，气动增压泵可选性在不断增加。其中特定的应用要求决定了选购泵产品时特别需要考虑的因素。随着气动增压泵设计和制造技术的不断提高，其使用寿命、增压能力、可通过的化学液种类等其应用的制约因素也将不断改善，其应用场合范围也会越来越广阔。

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